以農田退水污染治理為目標的生態溝渠系統研究進展

上海勘測設計研究院有限公司 齊雪萌

一、引言

農田地表徑流與農田滲漏合流產生的地表水即為農田退水，水量在年內變化較大，退水中氮、磷污染物作為污染源沿溝渠流向高程較低的河流或湖泊。農田退水污染具有分布廣泛、相對分散、潛伏期長、危害性大等特點，從而導致農田退水污染成為目前國內外環境污染治理的難點，也成為我國新農村建設尤其是環境建設的最大障礙。

生態溝渠最初用于改善土質農田排水溝水土流失、邊坡塌陷以及硬質化排水溝排出水體中泥沙和污染物含量大的問題，同時在溝渠內種植水生植物可以發揮一定的景觀功能，并且相較于其他過程阻斷措施具有不占地的優勢，因此生態溝渠技術在近年來不斷得到發展和應用，并在農業面源污染治理中取得了較好的效果，對于生態溝渠的研究更加深入，本文在生態溝渠的結構、削減機理、植被選擇、結構設置、模型化研究以及評價體系研究方面進行了梳理和分析，旨在為以生態溝渠為手段的農田面源污染治理措施的建設和方案選擇提供參考和借鑒。

二、生態溝渠的結構組成

生態溝渠是農田排水主干溝經過生態化改造形成的具有阻控污染物作用的生態退水渠道，是農田與河塘湖庫的“連通器”。生態溝渠系統主要由工程部分和生物部分組成，工程部分包括主干排水溝、生態攔截輔助設施；生物部分由各類植被組成。其中，生態攔截輔助設施應至少包括節制閘、攔水坎、底泥捕獲井、氮磷去除模塊，為增強凈化效果，還可增設生態浮島、生態透水壩等設施[1]。

生態溝渠系統通過節制閘、攔水坎將農田退水保留在排水溝內，經過一定時間的沉淀凈化將退水排出，泥土和其他雜質則被聚集沉淀到底泥捕獲井內。氮磷去除模塊是由多孔礦物材料制成，用于同步去除溝渠內水體中氮磷的模塊。

生態浮島是水生植物的種植載體，充分利用水體空間生態位和營養生態位，建立高效人工生態系統，用以削減水體中的污染負荷。生態透水壩是利用砂石等過濾材料在溝渠內壘筑的具有一定導流、截流作用的構筑物，壩體及其表面形成的生物膜能夠對污染水體進行過濾、分解、吸附等凈化處理，且能夠減緩徑流的沖擊。渠內植被選擇優勢水生植物如挺水植物、沉水植物、護坡植物和溝提蜜源植物。生態護坡多采用多孔生態型生態混凝土護坡、生態網格護坡以及木樁護坡，具有良好的通氣吸水、防止土壤流失的特點。

三、生態溝渠的污染削減機理及阻控作用

（一）削減機理

生態溝渠對于退水中氮、磷、重金屬具有明顯的削減效果，通過植物吸收、微生物分解轉化、截流沉降、生態吸附達到降解效果[2]。

（二）生態溝渠植被篩選及配置

生態溝渠對污染物的削減能力不僅受到水質本身、水文條件、季節變化等外部因素的影響，也受到溝渠植物種類及基質類型的影響[3]。植被是農田生態溝渠中的重要組成部分，不僅可以吸收氮磷等物質，還可以延長水力停留時間，增強景觀效果。關于生態溝渠內植被群落配置的研究主要集中于蘆葦、美人蕉等常見的夏生植物的削減效果分析，以及植被的阻水原理和效果研究。

菖蒲、蘆葦、美人蕉、水芹、香蒲、燈芯草、空心菜等為常見的生態溝渠植被，具有良好的氮磷吸收作用。Qiao[4]的研究顯示沉水植物對于氮、磷的吸收明顯，并且對Cu、Pb、Zn等重金屬離子也有一定吸收效果，其中伊樂藻、金魚藻、苦草等常見沉水植物具有一定的去除水體中總磷、氨氮、總氮、葉綠素a的作用，其中金魚藻綜合凈化效果最佳。

植被去除率具有生長變化趨勢，且將單一植被進行組合對污染物的攔截效果更好，在藻類易爆發的階段由菹草、野菱和水鱉構成的植被群落能夠抑制浮游植物生長，狐尾藻和海壽花的植被組合在2017年津市市毛里湖稻區溝渠內對總氮、銨態氮、硝態氮及總磷的去除率分別達到 34.67%、66.53%、39.51%、46.05%，削減效果較好[5]。

（三）生態攔截設施設計

1.結構形式

生態溝渠設計要點包含密度布局、斷面形式與緩坡設計、襯砌方式、生態護坡設計、水生植物設計、攔水設施設計等。

（1）密度布局：生態溝渠建設密度應滿足農田排水和生態攔截需要，一般為每hm2農田100m生態溝渠。一般應分布在農田四周與農田區外的河道之間。

（2）斷面形式與緩坡設計：渠體斷面一般為等腰梯形，蘇州市地方規范將渠體設置為上寬1.5m、底寬1.0m、深0.6m等形式，采用梯形斷面、復式斷面或植生型防滲砌塊；浙江省地方規范規定主干溝長度在300m以上，采用梯形、矩形或U形斷面，底寬和深度不宜小于0.4m，斷面材質可選用生態袋、六角磚、圓孔磚、鵝卵石等有利于護坡植物定植的材料；根據南京市江寧湯山、武進新康多地的實踐，提出深度不小于0.6m，口寬不小于0.8m的生態溝渠建設標準。

（3）襯砌方式：邊坡襯砌可采用不填縫漿砌石襯砌、半漿砌石和半混凝土結合襯砌；渠底可采用含植物生長帶土壤的混凝土襯砌，或采用由混凝土塊和可種植水生植物的無砂混凝土框格組成的植生型防滲砌塊[6]。

（4）生態護坡：生態護坡是利用一系列的工程結合植物種植達到加固邊坡、修復生態的工程，從技術角度可分為植被護坡和植被與工程措施復合護坡技術，后者是目前主要采用的技術，分為籠石結構復合護坡、土工網復合植被護坡、植被型生態混凝土護坡。植被型生態混凝土護坡目前被廣泛應用于渠道生態邊坡，由多孔混凝土材料、保水材料、表層土構成。多空混凝土材料作為結構支撐，表層土鋪設與混凝土表層或填充到混凝土空隙中，供給植被發芽初期養分，并防止混凝土表面過熱[7]。

（5）攔水設施：浙江省規定攔水坎高度應高于渠底0.15-0.20m[1]，也有研究顯示，末端攔水堰應保持溝渠水位20-30cm，凈化模塊布設高度不宜超過溝渠高度的1/2[8]。

2.生態溝渠的結構對削減效果的影響

生態溝渠斷面形式、構造、布置、材料等對生態溝渠的污染負荷削減效果存在影響，改善生態溝渠的布置方式能在一定程度上提升凈化效果。在上海市青浦區某一試驗基地進行的一項研究顯示，與“弓”字形溝渠相比，“一”字形生態溝渠對SS、氮磷等營養物質表現出更明顯的去除作用，這種差異在一般濃度徑流下更加明顯[9]。

（四）組合設計

1.人工濕地—生態溝渠耦合

人工濕地是一種模擬自然濕地的污水凈化功能的人工綜合生態系統，被廣泛用于處理污水廠尾水、養殖場廢水、乳品工業廢水、雨水徑流處理，是一種成本低、效果好的污染削減裝置，分為表面流濕地、水平潛流濕地、垂直人工濕地等類型。人工濕地的運行維護成本高，污染物去除效果受到水力負荷、水流方式、溶解氧等諸多要素的影響。研究顯示在凈化雨水徑流的人工濕地前端加入預處理設施可以有效減少徑流中的顆粒物質，提高對污染物凈化效果[10]。

江蘇省[11]開發了仿生增氧濕地，耦合生態溝渠，構建了生物生態耦合、排放利用并舉的生態溝渠—仿生增氧濕地體系，并應用于八卦洲農業園的面源控制中，應用結果顯示，耦合系統有效削減了面源污染負荷，提高了水肥利用效率。

2.生態塘—生態溝渠耦合

生態塘是由人工開挖成的自然塘堰改造成的，通過設置水生植物、微生物載體、人工增氧等對污水中有機物、氮、磷等污染進行高效降解、吸附、吸收處理，從而達到凈化污水效果的削減措施。

生態溝渠處理效果受到溶解氧（DO）含量限制，DO充足時好氧微生物通過代謝降解有機物，減少水體COD濃度，同時還會促進硝化過程，使水體內硝態氮含量降低；DO含量不足時，降解活動降低，有機物不能被充分降解，限制了硝化過程，促進了反硝化過程，使得COD和硝態氮含量相對增加。此外，水力負荷和進水水質的不穩定同時也會影響生態溝渠的系統運行和去除效率。因此有必要在生態溝渠前設置生態塘，通過水質預處理減少生態溝渠系統負荷，調節水量，避免發生泥土沖刷和水量倒灌，同時通過曝氧裝置提高水體DO含量，提高系統處理效率[12]。

周曉林[13]分析總結了渠塘系統的去除污染物機理以及影響因素，水體中的氮磷元素主要通過底泥、填料吸附和沉淀，植物吸收和微生物降解去除的主要為磷酸鹽。為了平衡系統中的DO和沉降速度，多位學者將渠塘截面設計為跌水式，利用高程差達到目標。

四、生態溝渠的數學模型化研究

數學模型是研究污染削減措施效果的有效手段，生態溝渠去除污氮磷等污染物的機理復雜且相互耦合，需要借助數學模型進行機理探究，并應用于生態溝渠的構建方案模擬與選取[14]。目前包括 MIKE、EFDC、Delft、QUAL、WASP等一、二、三維數值模型已經廣泛應用于水體的水動力、水質模擬中，部分模型考慮水體中化學、生態反應過程，能夠較好地模擬水質。但目前研究水體主要為湖泊、河道、港灣，研究的主要問題是水體富營養化、水環境容量、水動力分析、溫鹽、泥沙運移等，如李一平[15]基于EFDC模型建立了太湖三維風生流模型，并將水質模塊和富營養化模型耦合，模擬太湖的水質要素遷移變化規律。黃愛平[16]利用EFDC模型定量化分析鄱陽湖的水動力特征和河湖、江湖關系變異的響應，以及富營養化特征與水動力學條件變化的響應。

受到數值模型的精度限制，目前針對農田退水效果的數值模擬研究較少，對于小尺度的退水渠道內水質生態措施削減效果分析研究多采用實驗法進行，數值模擬方法一般停留在一維模型階段。數值模擬的方法難點在于通過設置精準的參數體現出實際水體中污染物遷移轉化過程和復雜且耦合的反應機理，并且同時需考慮陽光、溫度、大氣、水文、微生物等因素的影響[14]。梁新強[17]開發了一級水動力學和水氮耦合平衡的遷移模型，可定向定量估算氮素進入水體和徒然、空氣、植被的通量，并對氮素流失通量做了三維分配。

五、評價體系

合理的生態溝渠評價體系的構建有助于提高生態溝渠系統建設的科學性和推進運維模式，同時也有助于確定農田水環境治理的短板，明確治理的方向和重點[29]。

目前，有學者[6]采用層次分析法對生態溝渠技術進行評價，指標體系分為環境、經濟、技術3個準則層，經濟準則層包括涵蓋工程投資、運行費用2個指標層；技術準則層為污染物去除率、工程運行穩定性、技術操作和運行管理難易；環境準則層為資源化利用程度，其中技術和環境指標層下又包含分指標層，共計12個評價指標，其中權重最高的3個指標是出水達標率、工程投資和廢水回收利用率。也有研究[18]從經濟有效性角度對生態溝渠進行評價，調查測算生態溝渠的建設費用、運行費用、經濟效益、環境效益。

六、結語與展望

生態溝渠系統是經過生態改造的具有阻控農田退水污染的退水渠道，具有主干排水溝、生態攔截設施、和生物部分，以及生態透水壩、生態浮島等削減設施，在植物吸收、微生物分解轉化、截流沉降、生態吸附的作用下達到降解效果。

影響生態溝渠削減效果的原因比較復雜，包含水力停留時間、溶解氧含量、溫度、填料等方面，在生態溝渠的設計中需要從溝渠結構和植被組成方面加以考慮以達到污染治理目標。植被選擇宜選用菖蒲、蘆葦、美人蕉、水芹、香蒲、燈芯草、空心菜、伊樂藻、金魚藻、苦草、金魚藻等水生植物，生態護坡宜選用植生型生態混凝土護坡，斷面形式密度布局等工程設計應符合地方規范。

為了增加削減效果，提高系統穩定性，可以選擇其他阻控技術與生態溝渠進行協同耦合，如人工濕地和生態塘，研究表明其削減效果優于單一技術體系。

關于生態溝渠削減效果的數值模擬研究較少，目前主要停留在一維模型階段，對于該數據的研究仍以實驗室或試驗場地研究為主。一定程度上可參考已有的水氮耦合平衡的遷移模型、EFDC模型的公式或參數取值。

現有的生態溝渠評價體系中主要從環境、經濟、技術等多個方面進行考核。重點關注的內容為出水達標率、工程投資和廢水回收利用率，和溝渠長度、護坡類型、水生植物種類、低水位堰、生態透水壩基質種類、運維情況等直接建設內容。

為了盡快突破我國污染治理的瓶頸，應當開展多種生態治理技術的耦合機理和應用研究，并通過對數值模擬參數的分析提出削減效果更優的組合方案。